桩基础变刚度调平设计应用

成 琪

(晋城市建筑设计院，山西 晋城 048000)

桩基础变刚度调平设计应用

成 琪

(晋城市建筑设计院，山西 晋城 048000)

结合工程实例，通过分析工程地质条件，确定了高层建筑均匀布桩的变刚度调平设计理念，阐述了具体的设计原理及方法，总结了桩基采用变刚度调平设计后的优点。

桩基础,变刚度调平，基础设计

1 工程概况

工程为晋城市华都文化娱乐有限公司商业服务楼,总建筑面积20 800.87 m2。主体结构形式为框架核心筒结构,结构高度62.550，地下2层,地上15层。建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度(0.05g),设计地震分组为一组，基础采用桩筏基础。

2 工程地质条件

根据2013年7月晋城市规划设计研究院提供的《晋城市华都文化娱乐有限公司商业服务楼岩土工程勘察报告》，场地土层分布见表1。

表1 土层分布情况

3 变刚度调平设计

高层框筒结构呈现核心筒区刚度和荷载大，周边框架刚度和荷载小，上部结构刚度和荷载极不均匀。采用均匀布桩与厚筏板支承上部结构，根据资料表明已建成的建筑其沉降呈现内大外小蝶形分布，桩顶反力呈现内小外大马鞍形分布，蝶形差异沉降明显引起基础开裂，影响正常使用要求，为减小蝶形差异沉降只能增加筏板厚度，提高基础配筋以增大基础的抗弯刚度来抵抗地基变形，这样既不经济效果又不理想。沉降变形出现内大外小蝶形分布的原因主要是由于天然地基内均匀布桩时桩基竖向刚度是均匀的；支承于桩基上的建筑物筏板，其刚度并非无限刚，筏板受上部建筑均布荷载作用后，土和桩、承台的相互作用形成群桩效应导致地基或桩群的竖向支承刚度出现外强内弱逐步递减的变化。如果中部荷载越高，则差异沉降表现更加显著。

针对高层建筑均匀布桩带来的差异沉降问题，采用变刚度调平设计理念。变刚度调平设计就是根据初始布桩考虑地基基础与上部结构的共同作用，分析计算沉降等值线，实施变桩距或变桩径、变桩长布桩，调整桩土支承刚度分布，使荷载相对大的部位桩基刚度增强，荷载相对小的部位桩基刚度减弱，优化桩基刚度，达到沉降和内力平衡、协调，实现差异沉降减小，减小基础内力和节约建筑材料。《建筑桩基技术规范》3.18条规定对于框架—核心筒结构高层建筑桩基，应采取加强核心筒区域桩基刚度(例如通过增加桩基长度、桩基直径、桩基数量、采用桩底及桩侧后压浆等措施提高桩基刚度)，核心筒外围桩基刚度减弱(例如通过减小桩基长度、桩基数量等措施减小桩基刚度)，对变刚度调平设计的桩基，应进行上部结构与承台、桩及土协同受力分析。

4 基础设计

本工程基底标高为-10.200 m,建筑总重量336 320 kN,基底平均压力P=270 kPa,核心筒荷载为136 083 kN,持力层为第③层粉质粘土,天然地基承载力标准值fak=150 kPa,采用天然地基承载力和变形均不满足，持力层第③层粉质粘土需地基处理，如采用水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)处理，地基土层中存在碎石层和卵石层,CFG桩无法穿透。如采用大直径人工成孔扩底灌注桩，碎石层内含地下水，施工期间需降水，碎石层渗透系数大，涌水量大，护壁隔水困难，严重威胁桩孔安全。综合分析后基础采用桩筏基础设计。桩基采用旋挖成孔灌注桩，根据变刚度调平设计的原则加强核心筒区域桩基刚度，采取桩长加长，减弱核心筒外围桩基刚度，采取桩长减小。核心筒区桩径800，桩距2.4 m，桩长23 m，单桩承载力特征值为3 000 kN,外围框架桩径800，桩距2.6 m，桩长15 m，正方形布置,单桩承载力特征值为2 100 kN。桩位布置见图1。

基础计算采用中国建筑科学研究院的结构计算软件PKPM中的JCCAD模块进行桩筏有限元分析，考虑上部结构、基础及地基共同受力计算分析，基础计算考虑SWATE计算上部结构传至基础的刚度、桩—土刚度、筏板刚度，采用计算方程([K]上部结构凝聚刚度+[K]桩—土凝聚刚度+[K]筏板刚度){δ筏板位移}={P}上部结构荷载+{P}筏板荷载计算。桩筏基础沉降采用《建筑地基基础设计规范》附录Mindlin理论方法计算，沉降值见图2。

在设计过程中分别采用桩基变刚度设计和采用均匀布桩设计的筏板及地梁进行了对比，采用桩基变刚度设计的筏板及地梁内力比采用传统均匀布桩设计的筏板及地梁内力小了大约20%～30%。桩基采用变刚度调平设计后，实现墙、柱荷载与桩土抗力局部平衡，消除马鞍形反力分布，减小筏板冲切、剪切、弯矩等内力，刚度弱化区采用天然地基，减少用桩数量，降低建筑材料使用量，节约能源消耗，可取得明显的经济效益。

5 设计建议

框筒结构基础设计采用桩筏基础时宜采用上部结构—筏板—桩土共同作用计算分析,增强核心筒区域桩基刚度,相对减弱周边框架基础下桩基刚度,调整桩基布置使核心筒与周边框架相对沉降差减至最小,达到减小筏板地梁抵抗变形内力,从而减小筏板地梁配筋，同时也减少桩数量达到节省造价目的。

[1] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[2] 姜文辉.巢斯上海中心大厦基础变刚度调平设计[J].建筑结构,2012,42(6):131-134.

[3] 刘金波.建筑桩基技术规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.

The application of variable stiffness leveling design of pile foundation

Cheng Qi

(JinchengArchitecturalDesignInstitute,Jincheng048000,China)

Combining with the engineering example, through the analysis on engineering geological conditions, this paper determined the variable stiffness leveling design concept of high-rise building uniformly pile layout, elaborated the specific design principles and methods, summarized the advantages of pile foundation using variable stiffness leveling design.

pile foundation, variable stiffness leveling, foundation design

1009-6825(2015)32-0078-02

2015-09-09

成 琪(1979- )，男，工程师

TU473.1

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